3. TECHNOLOGIE SZYBKIEGO PROTOTYPOWANIA
3.1. Wprowadzenie
Terminem Rapid Prototyping określa się zbiór metod służących do szybkiej, precyzyjnej i powtarzalnej produkcji elementów, polegających na budowaniu modeli fizycznych warstwa po warstwie z określonego materiału.
Technologie szybkiego prototypowania wykorzystują zdolność łączenia różnych materiałów, takich jak: tworzywo, papier, ceramika, metal lub specjalnie dobrane kompozyty.
Aby powstał model fizyczny należy sporządzić trójwymiarową dokumentację w dowolnym systemie CAD. Uzyskany model 3D-CAD musi zostać przetworzony w specyficzną postać zbioru danych, odpowiednią dla technik RP (np. STL lub SLC).
Rys. 3.1. Istota procesu szybkiego wytwarzania (http://e-technolog.pl/index.php?menu=6&pod=49)
Techniki szybkiego prototypowania posiadają następujące cechy:
· Nie ma konieczności stosowania specjalnego oprzyrządowania, gdyż konstrukcje pomocnicze budowane są w trakcie powstawania modelu,
· Nie istnieje potrzeba przechodzenia od cech konstrukcyjnych do technologicznych, ponieważ konstrukcja zawiera wszystkie informacje geometryczne potrzebne do wytworzenia,
· Określanie geometrii półfabrykatu jest zbędne, ponieważ model wykonywany jest na gotowo,
· Nie jest wymagane określenie kolejności operacji, ponieważ przedmiot tworzy się podczas jednej operacji i w jednym ustawieniu.
Uzyskane w wyniku procesów szybkiego prototypowania modele, czy wręcz części i podzespoły, oddają wielkie usługi projektantom wszędzie tam, gdzie do zatwierdzenia produkcji wymagane jest przedstawienie fizycznego modelu danego elementu.
Wydruki 3D pozwalają na przeprowadzenie wstępnej oceny produktu bez konieczności budowania kosztownego oprzyrządowania oraz minimalizują koszty związane z wprowadzaniem ewentualnych poprawek. Nie bez znaczenia pozostaje fakt, iż nawet złożone zespoły, o dużym stopniu skomplikowania, można uzyskać w wyjątkowo krótkim czasie.
Dzięki temu, szybkie prototypowanie znalazło zastosowanie m.in.:
· Przy produkcji form odlewniczych,
· Przy przeprowadzaniu testów funkcjonalności,
· W badaniach ergonomii,
· W medycynie,
· Przy tworzeniu różnego rodzaju prezentacji,
· Przy przeprowadzaniu badań marketingowych i konsumenckich, mających ustalić opinie potencjalnych nabywców nowego wyrobu.
Technologie szybkiego prototypowania zapewniają wysoką precyzję i powtarzalność przy dobrej jakości powierzchni, oraz – w odróżnieniu od tańszej obróbki skrawaniem – możliwość utworzenia skomplikowanej struktury wewnętrznej elementu. Co więcej, części wieloelementowe, ruchome, jak np. przekładnie, łożyska czy łańcuchy, można uzyskać w jednym przebiegu maszyny.
3.2. Przegląd metod szybkiego prototypowania
Metody szybkiego prototypowania możemy podzielić na wiele rodzajów, jako kryterium przyjmując np. zastosowanie uzyskanego modelu, sposób jego budowy, rodzaj i stan skupienia materiałów użytych do jego budowy, czy też dokładność wykonania.
Kryterium zastosowania modelu możemy przyjąć jako podstawowe, ponieważ od niego zależy technologia, jaką wykorzystamy do jego budowy. Modele możemy podzielić na:
· Ukazujące kształt, formę modelu jedynie w sposób przybliżony, mniej precyzyjny,
· Posiadające niektóre parametry zbliżone lub identyczne z parametrami właściwego wyrobu; pozwalają one na dokładną prezentację gotowego wyrobu, mogą posłużyć np. do oceny zainteresowania produktem,
· Będące w gotowymi elementami. Są to modele wykonane już jako seria próbna, o wszystkich parametrach właściwego wyrobu. Możemy na nich przeprowadzić np. badania własności fizycznych lub przeanalizować możliwość wprowadzenia zmian.
Gdy znamy zastosowanie modelu, możemy określić, z jakiego materiału powinien być wykonany i na tej podstawie możemy dokonać wyboru technologii.
3.2.1. Metoda SLA
Pierwszą techniką, która umożliwiała szybkie wytwarzanie prototypów była metoda stereolitografi (SLA). Technologia ta polega na punktowym utwardzaniu ciekłego materiału (żywicy epoksydowej lub akrylowej) przy użyciu wiązki laserowej małej mocy. Naświetlona promieniowaniem ultrafioletowym żywica foto-utwardzalna ulega polimeryzacji – utwardzeniu. Po nałożeniu i utwardzeniu jednej warstwy proces jest powtarzany dla kolejnej i tak aż do wyprodukowania całego modelu. Jeżeli konstrukcja modelu tego wymaga, budowane są także specjalne podpory podtrzymujące elementy. Podpory są generowane automatycznie, przez program sterujący procesem prototypowania, podczas konwersji pliku zawierającego geometrię z systemu CAD. Po wyjęciu z maszyny gotowego modelu, musimy ręcznie usunąć owe podpory. Zwróćmy uwagę na fakt, iż budowa modelu wiąże się ze zużyciem materiału nie tylko potrzebnego na zbudowanie jego bryły, ale także – na wspomniane podpory.
Rys. 3.2. Idea procesu wytwarzania prototypów metodą SLA (http://imik.wip.pw.edu.pl/kmib/index.php?option=content&task=view&id=55)
Proces wytwarzania prototypu metodą SLA można podzielić na następujące etapy:
1. Wygenerowanie modelu geometrycznego w systemie CAD,
2. Aproksymacja modelu bryłowego formatem STL,
3. Przygotowanie procesu technologicznego, z którym wiąże się:
Ø weryfikacja poprawności danych zapisanych w formacie STL,
Ø orientacja modelu w przestrzeni roboczej maszyny,
Ø utworzenie podpór pod tworzony prototyp,
Ø określenie parametrów technologicznych procesu,
Ø wygenerowanie plików sterujących procesem wytwarzania i przesłanie ich do układu sterowania maszyny,
4. Wytworzenie prototypu – modelu fizycznego w żywicy.
Rys. 3.3. Prototyp wykonany w technologii SLA (http://rsptt.pl/uploaded/WYDARZENIA/CIESZYN/KONFERENCJA_PAZDZIERNIK%202010/Andrzej%20Sobas.pdf)
3.2.2. Metoda SLS
W metodzie SLS (ang. Selective Laser Sintering), można stosować wielu różnego rodzaju materiałów (nylonu, włókien węglowych, elastomerów, kompozytów, wosków, ceramiki i innych). Proces odbywa się w przestrzeni porównywalnej do niewielkiej kserokopiarki. Laser CO2 (karbon dioxide laser) za pośrednictwem zespołu luster spieka ze sobą selektywnie kolejne rysunki naniesione na warstwach materiału, opuszczanego po każdym cyklu – wraz z podtrzymującym go podestem – o grubość kolejnej warstwy.
Zaletą tej technologii jest stosunkowo wysoka wytrzymałość uzyskanych części, a także – szeroki zakres możliwych do zastosowania materiałów. Nie ma potrzeby usuwania żadnych struktur pomocniczych, gdyż materiał podporowy otacza cały powstający model. Powstały prototyp nie wymaga zazwyczaj żadnych dodatkowych czynności utwardzających – może być poddany lakierowaniu, obróbce mechanicznej i innej bezpośrednio po wyjęciu z maszyny. Wadą SLS jest stosunkowo niska dokładność, niska jakość uzyskanej powierzchni i porowatość uzyskanej struktury.
Rys. 3.4. Zasada metody SLS (http://joannabaron.ovh.org/materialy/prezentacje/drukarki_3d.pdf)
Rys. 3.5. Model wykonany w technologii SLS (http://rsptt.pl/uploaded/WYDARZENIA/CIESZYN/KONFERENCJA_PAZDZIERNIK%202010/Andrzej%20Sobas.pdf)
3.2.3. Metoda FDM
FDM (ang. Fused Deposition Modelling) polega na budowaniu modelu poprzez nakładanie kolejnych warstw półpłynnego, termoplastycznego materiału, podawanego przez termiczne głowice wyposażone w wymienne dysze. Gdy konieczne jest wykonanie elementu podporowego, w kolejnej warstwie oprócz właściwego materiału dokładany jest także materiał podporowy (z ang. support). Charakterystyczne dla tej technologii jest to, iż oba rodzaje materiału dostępne są w postaci włókien nawiniętych na bębny umieszczane z tyłu maszyny. Włókna są odwijane i podawane do głowicy, w niej podgrzewane do stanu półpłynnego i nanoszone w postaci warstwy, która szybko stygnie i twardnieje, tworząc podstawę dla kolejnych warstw. Głowice drukujące poruszają się w osiach X-Y, natomiast platforma, na której budowany jest model, porusza się w osi Z.
W maszynach do FDM możemy zastosować różne rodzaje materiałów, w tym także odpowiadające właściwościami tworzywom stosowanym na co dzień w przemyśle (np. ABS-M30, który jest o ponad 67% trwalszy niż standardowy ABS). Świadczy to o możliwościach zastosowania prototypów uzyskanych w tej technologii także w charakterze serii próbnej, lub jako pełnowartościowych produktów małoseryjnych. Przykładem może być maszyna serii FDM 900mc, która wytwarza komponenty do budowy kolejnych jej egzemplarzy.
Rys. 3.6. Zasada tworzenia prototypu metodą FDM (http://www.drukowanie3d.pl/tech_fdm.htm)
...
max612